一种新型高频电子线路实验系统的研制

一种新型高频电子线路实验系统的研制摘要：针对目前使用的高频实验箱存在的诸多问题，设计了一种新型高频电子线路实验系统。该系统采用了模块化设计的方法，共分为九个模块，分别为小信号谐振放大器、丙类功率放大器、混频器、调幅振荡器、检波器、调频和振荡电路、鉴频器、遥控编码电路以及遥控解码电路。九个模块既可以开展实验，也可以相互连接，开展六个以上的综合实验。本实验系统紧扣实验教学大纲，在满足基本验证性实验的基础上，大大扩展了设计性和综合性实验内容。关键词：高频电子线路；实验系统；模块化设计；综合性实验中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044（2013）03-0652-05高频电子线路作为电子信息类学生的一门重要专业课，是理论性和实践性都很强的一门课程。高频电子线路实验是对专业课理论的扩展和补充，能够很好地培养学生理论联系实际、系统分析问题的能力1-4。苏州大学电工电子实验教学中心高频实验室每年承担教学工作量约21600人学时，运行任务十分繁重。目前使用的高频实验箱系十年前采购，存在以下问题：1）采用整体结构、组件形式设计，学生无法了解内部原理，不利于维护；2）测试端子少，连接仪器和互连不方便；3）缺乏保护电路，电源接错后容易损坏器件；4）部分电路采用专用芯片，不利于掌握基本电路；5）电路原理陈旧，使用的老式器件如中周等市面不易采购；可调器件较少，不利于研究性学习。如上所述，现有的高频实验箱不能满足日益繁重的实验教学任务，教学效果一般，影响了学生动手主动性和创新性。研制一种新型高频电子线路实验系统已刻不容缓。1实验箱系统设计针对目前高频实验系统存在的问题，结合高频电子线路课程教学大纲和课程重点，在参考国内外主流高频电子线路实验系统设计的基础上5-7，设计了本实验系统。本实验系统采用了模块化设计的方法，共分为9个模块，分别为小信号谐振放大器、丙类功率放大器、混频器、调幅振荡器、检波器、调频和振荡电路、鉴频器、遥控编码电路以及遥控解码电路8-10。9个模块既可以开展实验，也可以相互连接，开展6个以上的综合实验。实验箱采用了托盘式设计，用一块大的电路底板将各模块托起，支柱在起到支撑各分模块作用的同时，又给模块供电。供电电压为12V。1.1混频器混频器常用在超外差接收机中，将高频调幅或调频信号转换成中频信号而保持调制规律不变，使接收机的增益和选择性与接收频率无关。常用的混频电路包括二极管混频器、晶体管混频器和模拟乘法器混频器。本实验系统采用晶体管混频器，如图1所示。电路采用共发射极组态，本振信号VO从发射极输入，高频信号VS从基极输入，集电极LC选频回路选出差频信号，从集电极输出中频信号Vi。电阻R08和电位器VR3为晶体管T3提供静态偏置电压，调节VR3可以改变混频器静态工作点，从而改变混频增益。实验电路中的输入信号频率fs为10.7MHz，本振频率f0为10.245MHz，中频信号频率fi为455kHz。电路中的集电极选频回路采用分立LC器件，摒弃中周这一老式元件（中周实验过程中调节容易损坏，且不易购置更换），使混频步骤一次到达中频455kHz，省略了二次混频的过程。1.2调频和振荡电路高频振荡的瞬时频率随调制信号的大小线性地改变，叫做频率调制，简称调频。变容二极管调频器是一种最基本的直接调频电路，它将受到调制信号控制的可变电容与振荡回路连接，直接控制振荡回路中的电容发生变化，从而改变振荡器的瞬时频率。变容二极管调频器可以实现大频偏调制，在很宽的波段保持良好的调频特性，而且输出幅度也比较大。图2中，晶体管Q1构成共基极放大电路，VR1、R12、R13和R14构成自给偏压电路，偏置电压VBE由固定偏压VB和发射极电阻R14上的直流压降VE共同决定，开关S1切换LC回路或石英晶体回路，它们共同组成改进型电容三端反馈式正弦波振荡电路，又称克拉泼电路。振荡频率由L32、C11、C14和C15决定，晶体管Q1产生的正弦波通过Q2构成的射极跟随器缓冲放大后输出，电位器VR2可以调节输出电压的大小。变容二极管调频电路，则由上述中的LC正弦波振荡器和变容二极管电路组成。如图2所示，变容二极管电路由变容二极管D1及耦合电容C31和C32组成，VR3和R31为变容二极管提供静态时的反向直流偏置电压V0，R32为隔离电阻，C34与高频扼流圈L31为调制信号v提供通路，C33为高频旁路电容。整个电路的实时振荡频率由L32、C31、C32、C11、C15、C14和变容二极管结电容Cj决定。1.3鉴频器鉴频的方法主要有乘积型相位鉴频、锁相环路鉴频、双失谐回路斜率鉴频、脉冲计数式鉴频等。本设计采用锁相环鉴频的方法。锁相环路由鉴相器、低通滤波器、压控振荡器组成。由74HC4046和CD4069组成的锁相鉴频器如图3所示。从J1输入的调频信号，经过C8交流耦合，送入U3A、U3B和U3C组成的三级放大整形电路。放大后的调频信号经过C4交流耦合，送入74HC4046。由74HC4046内部的放大器放大和整形后再送入鉴相器，最小输入信号峰峰值为20mVpp。鉴相器的相位误差电压通过R3、R4、C2组成的低通滤波器，输出缓慢变化的直流控制电压，接入压控振荡器输入引脚9。此控制电压同时经内部缓冲器从10脚输出，可获得FM解调信号。从10脚输出的FM解调信号，经过R13、C11组成的低通滤波器，送入U3D组成的放大滤波电路，从J2输出解调后的音频信号。1.4其他模块电路本实验系统的其他模块还包括小信号谐振放大器、丙类功率放大器、振幅调制器、检波器、遥控编解码电路等。这些模块既可以开展一个实验，也可以相互连接，开展设计性或综合性实验。限于本文篇幅，不再一一详述。2特色和创新本实验系统与目前市面上的几款高频实验系统相比较，具有以下特色。1）采用模块化结构，提供了更广的应用范围，可以利用模块快速构成其他应用系统，可以广泛用于学生课外科技活动、电子设计竞赛、毕业设计等。同时，模块化设计方便拆卸，便于维修升级。2）首次采用了一些新技术或新方法：首次采用带有载波恢复的同步检波电路，用于编解码遥控电路模块；首次采用通用锁相环芯片实现调频鉴频；首次采用多个并联测试端子结构；整体设计在创新性、实用性、易用性、多功能性、易维护性、可靠性等多方面具有显著优势。3）本实验系统在各模块电路设计时摒弃了中周这一老式器件，不易购买，而且中周使用过程容易损坏。谐振电路全部采用电感、电容常见器件，更易维护。4）具备电源反接、短路等电路保护功能。5）增加更多的可调器件，如电位器、可调电容等，充分发挥学生的主观能动性。3实验结果本实验系统在设计前进行了统一规划，实验箱尺寸，电源供电方法，各模块实验内容，设计方案，技术要求等详细考量。设计电路在Multisim软件上先期进行了仿真，根据设计频率幅度等技术要求修改器件参数，然后对每个模块焊接调试，调整电路设计。最后，将各模块连接联调，对开展综合设计性实验的几个模块联合验证。实验系统实物如图4。本文以调频鉴频通信系统综合实验为例，验证各模块实验结果和性能。调频和振荡模块设计载波频率10.7MHz，调制信号频率1KHz，调节其幅度，使调频波频偏为10KHz。如图5所示。将此调频波接入混频器模块的信号输入端，本振信号频率10.245MHz，因此混频输出的中频信号为455KHz。如图6所示。中频信号放大后送入鉴频器模块，经锁相环鉴频，输出音频信号1KHz的正弦波。如图7所示。4结束语本高频电子线路实验系统是在当前高频实验箱存在诸多问题的背景下，紧密结合了理论课程教学大纲和课程重点，设计的具有自主知识产权的自制仪器。实验箱采用模块化设计，实验项目灵活，电路原理清楚，可随时扩展实验内容，适合本科实验教学、课程设计、电子设计竞赛等场合使用。经过一年多的使用，教师和学生反应良好，教学效果得到了初步肯定。参考文献：1马英.高频电子线路实验箱利弊的思考J.实验科学与技术，2007，5（2）：87-94.2宫芳.高频电子线路实验教学模式的探索J.实验室科学，2005，2（1）：18-19.3耿艳香，朱根生，刘志盼，等.基于Multisim高频电子线路实验平台设计的探讨J.实验室科学，2012，15（3）：117-119.4范瑜，潘启勇，邬正义.等.“高频电子线路”的教学现状与改革思路J.电气电子教学学报，2009，31（4）：20-215周颖琦.通信电子线路综合实验箱的开发J.实验科学与技术，2008，6（5）：19-28.6邓洪波.高频实验教学与工程实践能力培养J.实验室科学，2010，13